CC BY
140Светлана СЫСОЕВА
Введение
В предыдущих публикациях были рассмотрены технологии, составляющие основу большинства современных акселерометров. Было показано, что в рамках тенденций наиболее перспективный тип акселерометров сформирован полностью кремниевыми поверхностными емкостными устройствами, с точки зрения предоставляемых ими возможностей корпусирования, рабочих характеристик и цены.
Емкостные датчики позволяют детектировать как высокие, так и малые диапазоны ускорения с высокой разрешающей способностью, характеризуются температурной стабильностью, малым энергопотреблением, а также непрерывно повышающимся уровнем их точности, шумовых свойств, разрешения, повышением степени интеграции схем обработки сигнала, включая добавление новых функций и интерфейсных возможностей. Таким образом, данные устройства можно однозначно рекомендовать для разработки новых автомобильных систем на их основе.
Технологии, представленные в последней части цикла, также обеспечивают высокие рабочие характеристики с точки зрения их применимости в автомобильных системах, но относятся к единичным, уникальным среди большинства акселерометров технологическим решениям, сравнительный анализ которых и завершает эту серию публикаций.
Технологии Silicon Designs
Компания Silicon Designs Inc. (SDI) разработала собственную технологию производства емкостных MEMS-акселерометров. Технология SDI, внедренная в массовое произ-
Автомобильные акселерометры.
Часть 6. Некоторые уникальные технологии. Итоговый сравнительный анализ и оценка перспектив
В данной, завершающей части публикации анализируются перспективы применимости в автоэлектронике некоторых обособленных и уникальных коммерчески доступных технологий, предназначенных для создания функциональной части интегральных корпусов из других материалов, помимо кремния: никелевые акселерометры Silicon Designs, пьезопленочные акселерометры MSI, тепловые акселерометры Memsic. Завершающая часть цикла также включает итоговый сравнительный анализ актуальности технологий, рассматриваемых в рамках цикла.
водство с 1990 года, — первая коммерчески успешная не кремниевая технология: функциональная часть МЕМ8-акселерометров SDI изготавливается из материалов с высокой твердостью и плотностью, таких как никель и его сплавы. Технология позволяет создавать акселерометры, детектирующие диапазоны полной шкалы в очень широких пределах — от <1 g до 20 000 g, статическое или динамическое ускорения. Акселерометры SDI способны противостоять ударам порядка 10 000 g/с и работают при температурах выше 200 °С.
Все модели акселерометров SDI включают герметичную емкостную сенсорную ячейку, демпфируемую азотом [104, 105].
Базовая структура сенсорного элемента SDI, чувствительного к оси Z, показана на рис. 34а (данный принцип проиллюстрирован также рис. 27б в пятой части статьи — см. «КиТ» № 4'2006, с. 28). Сенсорный элемент представляет собой асимметричную плоскую обкладку из никеля, поддерживаемую выше поверхности подложки двумя стержнями кручения, прикрепленными к центральному пьедесталу.
Одна сторона асимметричной структуры тяжелее, чем другая, поэтому центр тяжести смещен относительно оси кручения. Под действием ускорения вокруг оси кручения подвижной обкладки возникает крутящий момент, поворачивающий крыло на угол, ограничиваемый жесткостью пружинных стержней.
На поверхности подложки под подвижным крылом с каждой стороны оси кручения симметрично зафиксированы две проводящих обкладки, формирующие дифференциальные конденсаторы с общим электродом.
Площадь крыла составляет приближенно 1000x600 мкм, его толщина — 5-10 мкм,
расстояние от крыла до подложки — также около 5 мкм. Данная геометрия соответствует емкости с каждой из фиксированных обкладок примерно 0,15 пФ.
При вращении крыла под действием ускорения среднее расстояние между крылом и одной обкладкой уменьшается, а между крылом и другой обкладкой — увеличивается, изменяя соотношение емкостей. Чувствительность регулируется массой сенсорного элемента, расстоянием от центра тяжести массы до оси кручения, механическими свойствами пружины кручения (жесткостью). Стандартные измерительные диапазоны акселерометров SDI — 1x1000 g.
Для того чтобы обеспечивать дополнительную защиту от чрезмерных механических воздействий при высоких ударных ускорениях, могут быть добавлены механические ограничители в четырех внешних углах каждого крыла. Каждый законченный сенсорный чип SDI включает два крыла для формирования четырех конденсаторов с общим электродом.
Этот дизайн по лицензионному соглашению использует Ford Motor Company, выпуская акселерометры на основе данного принципа, но с использованием стандартных кремниевых процессов. Компания Ford запатентовала и собственные улучшенные технологические решения [106-108], в том числе и для металлического сенсорного элемента [107]. Аналогичная технология в кремниевом исполнении реализована Bosch (рис. 30в в пятой части статьи, см. «КиТ» № 4'2006, с. 35).
В ряде источников [93] метод производства Silicon Designs классифицируется как объемный, но изготовление поверхностных структур с выборочной гальванопластикой отличается от традиционных методов построения MEMS-устройств на основе объемного
Последовательный интерфейс
Рис. 34. Технологии и спектр продукции никелевых акселерометров Silicon Designs а — базовая структура сенсорного элемента SDI;
б, в — технология корпусирования одноосевых ИС в 20-выводном корпусе LCC; б — модульный вид устройства; в — микрофотография акселерометра; г — функциональная диаграмма аналоговой ASIC; д — функциональная диаграмма цифровой ASIC;
е — спектр продукции SDI: 1010, 1210, 1221 — одноосевые акселерометры-ИС в 20-выводном корпусе; 2010, 2012, 2210, 2220 — одноосевые аналоговые модули;
2420, 2422, 2430, 2440 — трехосевые модули; 2412 — трехосевой блок с открытым фреймом; 3310, 3320 — системы сбора данных; 3901 — соединительный кабель; ж — внешний вид одноосевых ИС недорогих аналоговых акселерометров 1221; з — трехосевой блок с открытым фреймом 2412 на основе трех аналоговых акселерометров 1210.
кремния и напоминает поверхностные методы, являясь уникальным.
В рассматриваемом случае для формирования фиксированных электродов и электроники обработки сигнала обработка кремниевой подложки производится с помощью стандартных методов микроэлектроники. Для того чтобы производить подвесные элементы, частично используется жертвенный разделяющий материал, после удаления которого сенсорная часть поддерживается только в частях, сформированных непосредственно на подложке.
Вначале подложка покрывается пассивирующим слоем (например, стекла), который
формируется методами литографии и химического травления. Металл наносится гальваническим способом на проводящую подложку поверх пассивирующего слоя, сформированного посредством методов фотолитографии (слоя фоторезиста). Затем части пассивирующего слоя вытравливаются из-под металла, оставляя подвешенную и приостановленную структуру металла, которая формирует массу и подвижную часть конденсатора. Устройство, полученное в результате, представляет собой два конденсатора и состоит из металлической пластины, образующей два подвижных электрода, под-
держиваемой пьедесталом металла выше поверхности изолированной кремниевой подложки, которая включает два фиксированных электрода.
В отличие от селективного травления кремния описанные методы позволяют производить более сложные и многослойные структуры, используя, например, такие достижения современной фоторезистивной технологии, как возможность получения высокого характеристического соотношения геометрических размеров микроструктуры: соотношения между структурной высотой и свободной длиной и шириной.
Таблица 3. Сравнительные технические характеристики автомобильных акселерометров
Датчик/ Параметр Функциональное описание Число измерительных осей Максимальный диапазон ускорений Gmax, g (полная шкала) Тип выхода Чувствительность, мВ/g (при 25 °С) Смещение нуля U0q, В Дрейф чувствительности (в полном диапазоне) Дрейф смещения (в полном диапазоне) Рабочий частотный диапазон,кГц
Никелевые акселерометры Silicon Designs
1210 Одноосевые аналоговые ИС 1 (Z) ±5 g (1210x-005) ±10 g (1210x-010) ±25 g (1210x-025) ±50 g (1210x-050) ±100 g (1210x-100) ±200 g (1210x-200) ±400 g (1210x-400) Дифференциальная чувствительность 800 (1210x-005) 400 (1210x-010) 160 (1210x-025) 80 (1210x-050) 40 (1210x-100) 20 (1210x-200) 10 (1210x-400); униполярная - половина указанного значения ошибка калибровки 2%, 4% максимум (1210х-005); 1%, 2% максимум (от 1210х-010 до 1210х-400) Ошибка калибровки 1%, 2% максимум; темп. дрейф +300 ррт/°С Темп. дрейф 100 ррт/°С, 300 ррт/°С максимум (1210х-005); 50 ррт/°С, 200 ррт/°С максимум (от 1210х-010 до 1210х-400) 0-0,4 (1210x-005) 0-0,6 (1210x-010) 0-1 (1210x-025) 0-1,5 (1210x-050) 0-2 (1210x-100) 0-2,5 (1210x-200) 0-3,5 (1210x-400)
1221 ±2 g (1221x-002) ±5 g (1221x-005) ±10 g (1221x-010) ±25 g (1221x-025) ±50 g (1221x-050) ±100 g (1221x-100) ±200 g (1221x-200) ±400 g (1221x-400) Дифференциальный выход ±4 В или униполярный аналоговый выход 0,5-4,5 В 2000 (1221x-002) 800 (1221x-005) 400 (1221x-010) 160 (1221x-025) Ошибка калибровки 2%, 4% максимум (1221х-002); 1%, 2% максимум (от 1221х-005 до 1221х-200); Ошибка калибровки 1%, 2% максимум; темп. дрейф ±250 ррт/°С Темп. дрейф 100 ррт/°С, 300 ррт/°С максимум (1221х-002); 50 ррт/°С, 200 ррт/°С максимум (от 1221х-005 до 1210х-200) 0-0,4 (1221x-002) 0-0,6 (1221x-005) 0-1 (1221x-010) 0-1,5 (1221x-025) 0-2 (1221x-50) 0-2,5 (1221x-100) 0-3,5 (1221x-200); 0-4 (1221x-400)
2220 Одноосевые аналоговые модули на основе датчиков 1221 ±2 g...±200 g 80 (1221x-050) 40 (1221x-100) 20 (1221x-200) 10 (1221x-400) Ошибка калибровки 4% максимум (-002); 1,5% максимум (-005...-200); Ошибка калибровки 1%, 2% максимум; темп. дрейф -250 ррт/°С минимум, + 150 ррт/°С максимум (-002...-010), для остальных моделей ±150 ррт/°С Темп. дрейф 100 ррт/°С, 200 ррт/°С максимум (1221х-002); 50 ррт/°С, 100 ррт/°С максимум (-005.-200) 0-0,4 (1221x-002) 0-0,6 (1221x-005) 0-1 (1221x-010) 0-1,5 (1221x-025) 0-2 (1221x-50) 0-2,5 (1221x-100) 0-2,5 (1221x-200)
1010 Одноосевые цифровые ИС 1 (Z) ±2 g (1010L-002) ±5 g (1010L-005) ±10 g (1010L-010) ±25 g(1010L-025) ±50 g (1010L-050) ±100 g (1010L-100) ±200 g (1010L-200) TTL/CMOS частотный выход направления 62.5 (1010L-002) 25,0 (1010L-005) 12.5 (1010L-010) 5 (1010L-025) 2.5 (1010L-050) 1,25 (1010L-100) 0,625 (1010L-200), кГц/g Ошибка калибровки 2%, 4% максимум (1100х-002); 1%, 2% максимум (от 1100х-005 до 1100х-200) Ошибка калибровки 1%, 2% максимум; темп. дрейф +300 ррт/°С Темп. дрейф 150 ррт/°С, 400 ррт/°С максимум (1100х-002); 100 ррт/°С, 300 ррт/°С максимум (от 1100х-005 до 1100х-200) 0-0,4 (1010L-002) 0-0,6 (1010L-005) 0-1 (1010L-010) 0-1,4 (1010L-025) 0-1,6 (1010L-050) 0-1,8 (1010L-100) 0-2 (1010L-200)
2412 Аналоговый трехосевой акселерометр с открытым фреймом на основе трех датчиков 1210 ± 5 g (2412-005) ± 10 g (2412-010) ± 25 g (2412-025) ± 50 g (2412-050) ±100 g (2412-100) Дифференциальный выход ±4 В или униполярный аналоговый выход 0,5-4,5 В Данные аналогичны 1210 Ошибка калибровки 1,5% типично и 3% максимум Данные аналогичны 1210
Пьезопленочные акселерометры MSI
ACH-01-XX (ACH-01-02/ ACH-01-03/ ACH-01-04) Недорогой однооосевой акселерометр общего назначения 1 (Z) Динамический диапазон ±250 д типично; ±150 д минимум Выход с высоким импедансом -20 кОм 10 мВ/g (7-11) Темп. чувствительность 0,35 g/°C 0,001-20 (нижний предел 0,005 максимум; верхний - 10 минимум)
ACH-04-08-05 Трехосевой акселерометр Динамический диапазон ±250 д Аналоговый 1,8 мВ/g -* 0,0005-4
ACH-04-08-09 Одноосевой акселерометр для специальных задач 1 (Y) Динамический диапазон ±40 д —* 6 мВ/g 0,0002-1,5
Тепловые акселерометры Memsic
MXA2500G/M Двухосевой аналоговый акселерометр с улучшенными характеристиками и шумовыми свойствами ±1,7 g Аналоговый 500 (475-525) ±0,1 g максимум; (1,25 ± 0,05) В Темп. дрейф -10% минимум и +8% максимум (МХА2500Э); -25% минимум и +8% максимум (МХА2500М) Темп. дрейф ±1,5 мg/0C 0, 017 (0,015-0,019); до 160 Гц
MXC6202G/ H/M/N Двухосевой акселерометр, характеризующийся малым энергопотреблением, в тонком корпусе с интерфейсом 12С 2 ±2 g I2C 512 (486-538) LSB/g (G/M) или 128 (122-134) LSB/g (H/N) ±0,1 g; 2048 (1996-2100) LSB; 512 (499-525) LSB Темп. дрейф 15% Темп. дрейф 1,0 мg/0C 0,017 (0,015-0,019)
—* Нет данных или данные не специфицированы производителем
Использование металлов предоставляет возможность более точной подгонки характеристик и увеличения чувствительности акселерометра по сравнению с объемным кремнием. Части, сформированные металлом, по сравнению с кремнием также предполагают улучшенные свойства прочности и жесткости.
Недостатки устройства — очень малая емкость и соответственно малое изменение в выходном сигнале. В дальнейшем изменение в емкости становится нелинейным. Малый выходной сигнал и повышенная склонность к нелинейности создают необходимость в ASIC.
Датчики SDI выпускаются в интегральных корпусах, объединяющих сенсорный элемент
и ASIC-чип, необходимый для регулирования чувствительности и получения различных типов выходов.
Типичный Z-акселерометр Silicon Designs в 20-выводном корпусе LCC представляет собой герметичный блок, состоящий из сенсорного элемента — механической части, размещенного на одном кристалле, и интегрированной электроники, находящейся на другом кристалле (рис. 34б-в). Чипы прикрепляются стандартными методами к подложке, соединение чипов осуществляется золотосодержащими проводами.
Silicon Designs разработала два варианта ASIC — с выходным цифровым или аналоговым сигналом.
Аналоговая ASIC формирует пропорциональный ускорению дифференциальный выход напряжения (рис. 34г).
ASIC производится по технологии КМОП и функционирует как преобразователь «емкость-напряжение», используя усилитель, переключаемый конденсатором — для того чтобы преобразовывать малые емкостные изменения в уровни выходного напряжения, читаемые внешней электроникой. Вместо усиления переменного напряжения с конденсаторами постоянной емкости усиливается постоянное напряжение конденсаторов переменной емкости. ASIC — отслеживает эффекты действия ускорения на емкостной сенсорный элемент на выходе сенсорного усилителя.
' ь д
Ток Шумы S iS * сть 1 *
Напряжение потребления, мА/ Время начала Разрешение, (шумовая плотность или пиковый размах Нелинейность, % * а то І § 1- X ос н б оа 5 * ° ^ Тип корпуса,
питания, В Потребляемая работы, мс мд амплитуды шумов от полной шкалы еян паь ач Ри осо X ^ размеры и масса
мощность, Вт при 25 °С) оса^ ост р ет м О 2 ^ пре
Рабочий температурный диапазон, °С
Никелевые акселерометры Silicon Designs
5 (4,75-5,25)
7 мА типично; 10 мА максимум
8 мА типично; 10 мА максимум
12 мА типично; 14 мА максимум
32 мкд/^Гц (1210x-005) 63 мкд/^Гц (1210x-010) 158 мкд/^Гц (1210Х-025) 316 мкд/^Гц (1210Х-050) 632 мкд/^Гц (1210Х-100) 1265 мкд/^Гц (1210Х-200) 2530 мкд/^Гц (1210x-400),
5 мк д/УГц (1221Х-002)
7 мкд/^Гц (1221Х-005) 10 мкд/^Гц (1221Х-010) 25 мкд/^Гц (1221Х-025) 50 мкд/^Гц (1221Х-050) 100 мкд/^Гц (1221Х-100) 200 мкд/^Гц (1221Х-200) 400 мкд/^Гц (1221Х-400)
Данные определяются 1221
±0,5;
±1 максимум
±0,3; ±0,5 максимум (от 1221Х-002 до 1221Х-050); ±0,5; ±1 максимум (1221Х-100, 1221Х-200); ±1; ±2 максимум (1221Х-400)
±0,3;
±0,5 максимум (-002.-050);
±0,5;
±1 максимум (-100, -200)
±2;
±3 максимум
, 2 максимум
2000 д максимум за 0,1 мс
х: L- LCC 20; J-JLCC 20, вес 0,62 г
-55...+125
5 (4,5-5,5)
2 мА типично;
3 мА максимум
±0,5;
±1 максимум
±2;
±3 максимум
2000 д максимум за 0,1 мс
LCC 20 или JLCC 20, вес 0,62 г
-55...+125
21 мА максимум
Данные аналогичны 1210
(30,5x30,5x25,4) мм, вес 16 г
-40...+85
Пьезопленочные акселерометры MSI
3-28
6 мкА типично
Шумовой порог 40 мкд/^Гц
10 Гц-130 мкд/^Гц 100 Гц-20 мкд/^Гц 1 кГц-6 мкд/^Гц
Шумовой порог 200 мкд/^Гц
Шумовой порог 40 мкд/^Гц
0,1% типично; 1% максимум
0,10%
2 типично; 5 максимум
<20%
1000 д
(13x19x6) мм, вес 3 г, адгезивное крепление
(11x10x1,8) мі вес 0,35 г
-40...+85
типично
10 г
5
>35
2 мкА типично
15
2 мкА типично
Тепловые акселерометры Memsic
3-5,25 3,1 (2,5-3,9) на В; 3,8 (3-4,6) на 3 В 160 (5 В), 300 (3 В) -* 0,2 мд/^Гц, 0,4 мд/^Гц максимум
3 (2,7—3,6) 1,8 мА 75, 100 максимум 0,5 мд, 1 мд максимум 0,58 мд/^Гц
±0,5;
± 1 максимум
50 000 д
LCC (5x5x2) м вес 1 г
LCC (5x5x1,55) мм
-40...+105 (M); 0...+70 (G)
-40...+85 (M/N) и 0...+70 (G/H)
±2
Сигнал демодулируется и усиливается, обеспечивая пару дифференциальных выходов напряжения — AOP и AON. Интегрированный тактовый генератор контролирует последовательность переключения опорных напряжений на сенсорном элементе, последовательность переключения переключаемым конденсатором модулятора, демодулятора и сенсорного усилителя. Для генерирования опорных напряжений используется программируемая память PROM и ЦАП, обеспечивающая таким образом калибровку акселерометра — компенсируя допуски смещения и чувствительности сенсорного элемента при его производстве.
Цифровая ASIC генерирует поток импульсов с частотой (плотностью импульсов), пропор-
циональной ускорению (рис. 34д). Цифровая ASIC производится на основе 2-мкм процесса и функционирует на основе сигма-дельта преобразователя «емкость-частота». ASIC модулирует емкостный сенсорный элемент и наблюдает воздействие ускорения на выходе сенсорного усилителя. Компаратор демодулирует выход сенсорного усилителя для формирования цифрового частотного выхода. Цифровая часть ASIC управляется внешним тактированием и контролирует последовательность переключения опорных напряжений на сенсорном элементе. PROM и ЦАП осуществляют калибровку акселерометра, как и в аналоговой схеме.
Цифровой выход позволяет прямо подавать его на вход недорогого микроконтрол-
лера — для акселерометра не требуется внешний интерфейсный АЦП. В сравнении с аналоговым цифровой тип выхода также более устойчив к электромагнитным помехам, но аналоговый интерфейс применяется во многих старых системах и необходим для совместимости. Акселерометры SDI поддерживают оба интерфейса.
Полный спектр продукции SDI показан на рис. 34е, некоторые технические данные приведены в таблице 3. В линейке продукции выделяются одноосевые аналоговые ИС 1210, 1221 (рис. 34ж), цифровые одноосевые ИС (1010), одноосевые модули 2012, 2220 (акселерометр серии 2220 показан на рис. 1м и рис. 5и в первой части статьи — см. «КиТ» № 8'2005, с. 32,36),
И ґ /— Провода "S. соединений
Инерционная масса
^JFEThv, 1 1 Полимерная пленка
Керамическая подложка г гг
Датчик
ЩЩ W/
н
І *1 щ -а Чувствительная ось Y Ще
И Ч: '
Рис. 35. Технологии и спектр продукции пьезопленочных акселерометров М5І
а — внутреннее устройство одноосевого пьезопленочного акселерометра компрессионного типа АСН-01-ХХ; б—в — трехосевой датчик АСН-04-08-05 изгибного типа: б — внутреннее устройство; в — внешний вид; г — недорогой одноосевой акселерометр АСН-04-08-09; д — спектр продукции пьезопленочных акселерометров MSI;
е — экранированные горизонтальные и вертикальные блоки измерения ускорения Міп^епве™ 100 для ОЕМ-систем.
цифровые модули (2010), трехосевые модули (2420, 2430) и блоки (аналоговый трехосевой акселерометр 2412 на основе трех датчиков 1210, показанный на рис. 34з).
Стандартные измерительные диапазоны датчиков в пределах от 2 до 1000 g включают: 2/5; 10; 25; 50; 100; 200/400 g. Рабочая температура устройств----55__+ 125 °С.
Разнообразие типов выходов и чувствительностей позволяет Silicon Designs производить широкую линейку емкостных акселерометров для самых различных автомобильных задач. Рассчитанные вначале на использование в одноточечных системах контроля подушек безопасности, акселерометры SDI затем нашли широкое применение в других автомобильных сферах, например в инерциальной навигации, а также в военной и космической промышленности.
Технологии акселерометров MSI
Компания Measurement Specialties, Inc. (MSI) выпускает широкую линейку акселерометров, включая кремниевые MEMS, пьезорезистивные, пьезокерамические и пьезопленочные типы датчиков для различных систем автомобильной безопасности, а также емкостные инклинометры Shaevitz для противоугонных систем. Недавно в состав MSI вошла компания Entran — широко известный производитель пьезорезистивных акселерометров для крэш-тестирования.
Значительный интерес представляют достижения MSI в коммерциализации и развитии уникальной пьезопленочной технологии датчиков с пьезоэлектрической полимерной пленкой в качестве сенсорного элемента различного назначения, включая акселерометры.
Семейство пьезопленочных акселерометров MSI адресовано широкому кругу при-
кладных задач, включая области задач автоэлектроники. Основное назначение устройств — мониторинг вибрации, ударов и ускорений high-g-уровня (±250 g) в широком частотном диапазоне до 20 кГц (табл. 3, рис. 35). Другое важнейшее отличие технологии — экстремально высокая чувствительность пьезопленочного сенсорного элемента (до 1 B/g).
Согласно данным, опубликованным на сайте MSI, пьезоэлектрические полимерные датчики — одна из наиболее быстрорастущих технологий в мировом рынке датчиков, объемы продаж которого в начале XXI века уже превысили $18 млрд [109].
С момента открытия в начале 1960-х годов слабого пьезоэлектрического эффекта в китовой кости и сухожилиях исследователи переключились на поиск органических материалов для пьезоэлектрических датчиков (и других устройств), что привело в 1969 году к открытию высокой пьезоактивности поляризованной флюорополимерной пленки (PVDF — polyvinylidene fluoride). Разработка новых сополимеров PVDF продолжается и сегодня.
Важнейшими свойствами пьезополимерных пленок, формирующими предпосылки для создания на их основе актуальных автомобильных акселерометров, являются:
• широкий частотный диапазон 0,001-109 Гц;
• широкий динамический диапазон (для оценки в [109] специфицированы давления 10-8-106 psi-фунтов на квадратный дюйм);
• высокий уровень выходного напряжения — в 10 раз выше, чем для пьезокерамики при одинаковом силовом воздействии;
• механическая прочность;
• эластичность;
• работа при температурах до 100 °C (PVDF) и до 135 °С (сополимеры);
• устойчивость к влажности и загрязнениям;
• простота и миниатюрность чувствительного элемента, малая толщина пленки: 9, 28, 52, 110 мкм (PVDF), от <1 (порядка 200 А) до 1200 мкм (сополимеры);
• возможность применения необычных форм пленки (цилиндров, полушарий);
• возможность адгезивного монтажа;
• возможность интегрирования в корпус ИС. Пьезопленкам присущи и другие отличительные свойства, в том числе малый акустический импеданс, допускающий гибкую адаптацию устройств к работе в различных средах [109]. Существует достаточно много ограничений технологии, относящихся к механическому и электрическому дизайну устройств на основе пленок. Такие ограничения вынуждены постоянно преодолевать производители пьезопленочных датчиков. Одно из ограничений — чувствительность к электромагнитным помехам — снимается посредством экранирования. Другой важный фактор — чувствительность пленок к температуре (пироэлектричество).
Дизайн пьезопленочных акселерометров MSI осуществляется аналогично пьезоэлектрическим датчикам на основе конфигураций «сжатие» и «изгиб» и реализован в интегральных акселерометрах MSI, спектр продукции которых проиллюстрирован рис. 35.
АСН-01 — универсальный одноосевой линейный акселерометр, характеризующийся низкой ценой ($19,95). Соотношение цена/ характеристики позволяет использовать устройство в системах, где применение дорогих традиционных технологий, например прецизионных пьезоэлектрических датчиков, является избыточным, а кремниевые MEMS-акселерометры не подходят по частотным свойствам, чувствительности и шумам.
Устройство датчика АСН-01 показано на рис. 35а. Многослойная полимерная пленка, нагруженная инерционной массой,
Воздушная
полость
Датчик /^Нагреватель температуры Канавка
Кремниевая
подложка
Расстояние
И
и
и
А
н
Рис. 36. Технологии и спектр продукции тепловых акселерометров Метвіе а—е — принцип действия теплового акселерометра:
а, в, д — иллюстрация физического состояния чувствительного элемента; б, г, е — графики выходных сигналов чувствительного элемента; а, б — состояние воздушной полости в отсутствие нагрева; в, г — равновесное состояние нагретого шарика воздуха; д, е — смещенное состояние шарика воздуха под действием ускорения; ж — увеличенное микрофотографическое изображение интегрального акселерометра; з — функциональная диаграмма двухосевого интегрального акселерометра МХА2500С/М.
размещается на керамической подложке (из окиси алюминия), формируя датчик компрессионного типа, отличающийся более высокими резонансными частотами (табл. 3). Высокий выходной импеданс чувствительного элемента объясняет размещение на подложке датчика полевого транзистора с малым током затвора JFET, что позволяет устройству измерять переменные ускорения со сравнительно низкой частотой.
Для модели датчика ACH-01, внешний вид которого показан на рис. 35д, MSI выпускает специальный интерфейсный усилитель IB-ACH-01 ($100), выходной импеданс которого составляет 100 Ом (рис. 35д).
ACH-04-08-05 (рис. 35б-в) — трехосевой акселерометр с электроникой обработки сигнала, интегрированной в корпус, монтируемый на печатной плате. ACH-04-08-05, созданный на основе технологии MSI (получившей название Origami), содержит три взаимно ортогональных демпфируемых пьезопленочных чувствительных элемента (рис. 35б), работающих в конфигурации «изгиб», которая характеризуется менее высокими резонанс-
ными частотами, но допускает детектирование множественных осей. Элемент ^ЕТ и интегрированная обработка сигнала обеспечивает работу датчика на частотах <0,5 Гц. Для АСН-04-08-05 ($25‘) MSI выпускает плату (стоимостью $50,00), предназначенную для аналогового тестирования (рис. 35д).
АСН-04-08-09 ($25) — недорогой одноосевой акселерометр в интегральном корпусе, характеризующийся высокой чувствительностью в направлении оси Y, параллельной поверхности корпуса, возможностью низкочастотной работы и сниженным энергопотреблением — рабочие токи устройств порядка нескольких мкА (рис. 35г).
Устройства отличаются очень высокой линейностью 0,1%, но также и нежелательной поперечной чувствительностью (5-20%).
Основные ниши спроса акселерометров семейства АСН-01 и АСН-04-08 в автоэлектронике, рекомендованные MSI, — противоугонные системы, мониторинг проскальзывания (АСН-01). Любые пьезопленочные датчики
могут быть использованы также для мониторинга вибрации и ударов, не превышающих предельные значения перегрузок устройства в 1000 g, — например, в системах подушек безопасности, где не требуется высокая точность, но важна высокая надежность.
MSI непрерывно разрабатывает и обновляет линейку продукции акселерометров, повышая точность, надежность и повторяемость характеристик акселерометров в серийном производстве.
Для ОЕМ-систем MSI выпускает блоки М1^еше™ 100 (рис. 35е). Они включают пьезопленку, нагруженную инерционной массой, и характеризуются высокой чувствительностью (1 В^), которая является функцией формата пленки, обладает широким динамическим диапазоном, низкой ценой ($1,25), но и худшей линейностью (1%) и меньшей рабочей температурой (до 70 °С, версии до 125 °С — по специальному заказу). Устройства с габаритными размерами 12,8x7 мм монтируются на печатную плату, максимальная высота устройства
1 Приведенная здесь цена и цены датчиков MSI, указанные далее, — для малых объемов выпуска данной продукции.
от платы — 8 мм. Основное назначение блоков — мониторинг вибрации.
Все устройства, показанные на рис. 35, отличаются малым весом и размерами, сравнимыми с геометрией ИС, но в отличие от ИС реализованы не на кремниевой основе и не относятся к MEMS-устройствам, поскольку размеры и максимальные перемещения чувствительных элементов превышают 1 мм.
В настоящем перспективы пьезопленочных акселерометров связаны с работами по осуществлению активного демпфирования пьезопленок, а также с исследованиями по созданию пьезопленочных датчиков на кремниевой основе — Polymer Sensor-On-Silicon (PSOS).
Тепловые акселерометры компании Memsic
Существуют другие варианты акселерометров. В них инерционный элемент выполнен не из кремния и других твердотельных материалов, поэтому в прямом смысле не является «массой», поскольку весит меньше, чем среда, в которой осуществляется перемещение.
Первые в мире коммерчески доступные MEMS-акселерометры без твердотельной инерционной массы создала компания Memsik, Inc., основанная в 1999 доктором Янгом Чао (Yang Zhao), работавшим в Analog Devices' Micromachined Products Division (Cambridge, MA).
Принцип действия акселерометров Memsik основан на тепловой конвекции.
Подвижным элементом датчика является нагретый шарик воздуха, локализованный над нагревательным элементом в центре герметичной воздушной полости с более низкой температурой (окружающей среды) и высокой плотностью, что делает возможным перемещение нагретого шарика в направлении внешней инерциальной силы (рис. 36а-е). Затем в среде восстанавливается прежнее равновесное состояние [7, 110-113].
Воздушная полость формируется в верхней части кремниевой подложки посредством микромеханической обработки. Нагревательным элементом является поликремни-евый резистор.
Перемещение воздушного шарика под действием ускорения в плоскости датчика регистрируется расположенными под ним термопарами из алюминия и поликремния. Типичные схемы включения термопар — полумост для одноосевого элемента или полная мостовая схема для двухосевого элемента. Дифференциальный сигнал, получаемый с выходов термопар, позволяет детектировать как величину, так и направление воздействия.
Важно, что чувствительность датчика фактически не зависит от инерционной массы. За счет отсутствия значительной массы твердотельных инерционных элементов, вызывающей, например, эффекты прилипания обкладок в емкостных датчиках, устройства Memsik обеспечивают высокую надежность.
Тепловые акселерометры выдерживают перегрузки порядка 25 000 g (теоретический предел которых находится на уровне в 50 000-100 000 g).
Акселерометры Memsik реагируют на статическое ускорение и применяются для детектирования low-g-диапазона (±10 g). Среди недостатков можно отметить ограниченный частотный диапазон (типичное значение частоты среза на 3 дБ — порядка 40 Гц), начальную ошибку смещения и повышенную температурную чувствительность, над снижением которых работает производитель, гарантируя работоспособность устройства в специфицированном им температурном диапазоне (табл. 3). Технология допускает работу в диапазоне -65...125 °C [7].
Акселерометры Memsik представляют собой полностью интегрированные устройства, объединенные со стандартными CMOS-схемами обработки сигнала, размещенными на том же кристалле, что и чувствительный элемент. Это позволяет существенно снижать цену устройств (до $2-3, но приведенные цифры зависят от объема партий).
Большинство датчиков производится в низкопрофильных корпусах LCC (до 2 мм высотой). На рис. 36ж показано увеличенное микрофотографическое изображение интегрального акселерометра Memsik. На рис. 1с в первой части статьи (см. «КиТ» № 8'2005, с. 32) также показан одноосевой акселерометр — подложка в интегральном корпусе устройства.
Типичная схема обработки включает усиление, фильтрацию сигнала и формирование необходимого выходного протокола (рис. 36з). Акселерометры программируются на завершающей стадии производства ИС.
Основной рыночной нишей, активно потребляющей акселерометры компании Memsik, является автоэлектроника, а с недавнего времени — переносная и портативная электроника (ноутбуки, сотовые телефоны, цифровые камеры).
Так, компания Memsik является ведущим поставщиком интегральных low-g-акселеро-метров для компаний Autoliv (rollover-модули), TomTom (навигационные системы), DS Ingegneria (системы охранной сигнализации), Honeywell (трехосевые компасы), Brake Developer (системы торможения). В настоящий момент существует соглашение о совместных разработках новых автомобильных датчиков между Memsik и Texas Instruments — лидером в области цифровых и аналоговых схем обработки сигнала.
Специально для автоэлектроники компания Memsik выпускает акселерометры с расширенным диапазоном рабочих температур (-40.. . + 105 °C). Перечень данных устройств опубликован на сайте компании и в работе [113].
В рамках данной линейки разработан, например, двухосевой аналоговый MXA2500M (MXA2500M работает в диапазоне температур -40... + 105 °C, MXA2500G — в диапазоне 0-70 °C), детектирующий ускорения в диапазоне ±1,7 g с чувствительностью 500 мВ/g
(рис. 36з, табл. 3) и предоставляющий два независимых аналоговых выхода с каждой измерительной оси, а также выход интегрированного датчика температуры. Типичный шумовой порог устройства порядка 0,2 мg/VГц допускает разрешение менее 1 мg на частоте в 1 Гц.
Специально для автомобильных систем безопасности и контроля наклона компания выпускает также недорогие low-g-акселеро-метры MXD2020G&M и MXR2312G/M.
С 2005 года компания выпускает акселерометры модели MXC6202G/H/M/N (табл. 3), особенностью которых является поддержка интерфейса I2C, достижимая за счет интегрирования в датчик двух АЦП. Интерфейс I2C позволяет обеспечить последовательный цифровой интерфейс для сопряжения с микроконтроллером без дополнительных аппаратных средств. Диапазон рабочих температур составляет -40.. .+85 °С (M/N) и 0-70 °С (G/H).
Сферы применения MXC6202 в автоэлектронике — инерциальная навигация и электронные компасы GPS (корректоры угла наклона).
С июля 2005 года компания Memsik наладила производство модели аналогового трехосевого акселерометра MXR9500GZ с ортогональным расположением двух датчиков в корпусе ИС поверхностного монтажа [113]. Один датчик измеряет ускорения в плоскостях X и Y, второй — в плоскости Z. Практическое использование трехосевого акселерометра ассоциируется с системами охранной сигнализации, инерциальной навигацией и блоками инерциальных измерений IMU. Будущие модификации ИС также предполагают поддержку интерфейса I2C.
Акселерометры с жидким инерционным элементом
В Калифорнийском университете разработаны варианты создания многоосевого акселерометра с жидкой инерционной массой [114, 115]. Промышленным спонсором разработок [115] названа компания Integrated Sensor Systems (ISS), но этот тип датчиков в настоящем не коммерциализован.
Принцип жидкостного акселерометра основан на изменении под действием ускорения гидростатического давления жидкости, закупоренной в герметичной кремниевой полости, которое вызывает деформацию кремниевой мембраны, измеряемую затем с использованием емкостных, пьезоэлектрических, пьезорезистивных или даже оптических методов.
Этот тип датчиков может быть выполнен и интегрирован со схемой обработки на одном кремниевом кристалле, что позволяет обеспечить необходимую функциональность, малый размер, экономичность и конкурентноспособную цену, а также открывает перспективы для создания однокристального датчика с 6 осями чувствительностями и возможностью детектирования углового ускорения, например, востребованного в блоках IMU.
Таблица 4. Сравнительный анализ преимуществ и недостатков различных технологий акселерометров
Технология акселерометров Преимущества, отличительные особенности Недостатки, ограничения
Электромеханические акселерометры типа ball-in-tube • Высокое разрешение • Возможность детектирования статического ускорения • Существуют датчики сервотипа • Значительные размеры и инерционная масса • Чувствительность к коррозии, вредному воздействию атмосферы и загрязнений • Сбои вследствие различной электрохимической активности используемых материалов и покрытий • Переключательный тип • Высокая цена
Бесконтактные датчики магнитного поля (Холла, Виганда, АМР, ГМР) типа ball-in-tube • Низкочастотная работа • Возможность детектирования статического ускорения • Существуют аналоговые и ШИМ-версии • Интегрированная в ИС схема обработки сигнала • Значительные размеры и вес инерционной массы • Временной (старение магнита) и температурный дрейф точности
Пьезоэлектрические датчики • Способность детектирования высоких уровней д • Высокая линейность • Высокий динамический диапазон • Высокое разрешение • Высокая точность • Работа в широком частотном диапазоне (менее 1 Гц - 20 кГц) • Однородная чувствительность в частотном диапазоне • Высокие рабочие температуры устройств с высоким импедансом (выше 300 °С) • Мультиосевые исполнения • Малый размер и вес • Прочность • Недорогая альтернатива кварцу - пьезокерамика • Невозможность детектирования статического ускорения • Устройства требуют калибровки (микроконтроллерной обработки) • Интегрируют схему обработки на печатной плате • Высокий выходной импеданс кварцевого сенсорного элемента порядка 1014 Ом • Датчики с высоким импедансом чувствительны к шумам, высокой влажности, загрязнениям • Высокая цена
Пьезопленочные датчики MSI • Широкий динамический диапазон • Высокая чувствительность • Высокая линейность • Высокое разрешение • Простота и миниатюрность чувствительного элемента • Устойчивость к влажности и загрязнениям • Мультиосевые исполнения • Малый размер и вес, интегральные корпуса • Низкая цена • Невозможность детектирования статического ускорения • Чувствительность к электромагнитным помехам • Температурная чувствительность • Заметная поперечная чувствительность • Сложность технологии производства датчиков -механического и электрического дизайна • Отсутствие датчиков на кремниевой подложке
Объемные пьезорезистивные датчики • Высокие уровни детектируемых ускорений, включая статическое • Высокая чувствительность мостового элемента • Высокая линейность • Высокое разрешение • Мультиосевые исполнения, но в неинтегральном исполнении • Частотная полоса большинства устройств ограничена несколькими кГц • Ограничения по числу детектируемых осей • Чувствительны к ударам и механическим воздействиям • Температурная чувствительность • Пьезорезисторы требуют согласования, подгонки, калибровки • Схемы обработки не интегрированы с измерительным кремниевым кристаллом • Высокая или средняя цена
Объемные емкостные кремниевые MEMS-акселерометры • Простота сенсорного элемента • Детектирование различных ускорений, включая статическое, до ±100 д • Высокое разрешение • Высокая точность • Температурная стабильность • Малые дрейфы параметров • Улучшенные шумовые характеристики • Схемы обработки сигнала размещаются в интегральном корпусе • Низкая или средняя цена • Технология предполагает получение наилучших результатов при детектировании преимущественно ¡ош-д-уровня • Ограничения частотной полосы, частотная полоса контролируется демпфированием • Нелинейность физической природы емкостного элемента • Значительная площадь емкостного элемента • Ограничения числа осей • Двух- или трехкристальные датчики
Объемные емкостные никелевые MEMS-акселерометры Silicon Designs • Простота сенсорного элемента • Детектирование ускорений в пределах полных диапазонов от <1 д до 20 000 д (на практике - до 400 д) • Детектируют статическое ускорение • Высокая прочность и жесткость сенсорного элемента • Высокая надежность • Температурная стабильность • Возможны рабочие температуры выше 200 °С • Интегральные корпуса, двухкристальный датчик на кремниевой основе • Низкая цена • Очень малая емкость и соответствующее этому малое изменение в выходном сигнале • Частотная полоса контролируется демпфированием • Значительная площадь емкостного элемента • Ограничения числа осей • Двухкристальные датчики
Поверхностные кремниевые емкостные MEMS-акселерометры • Возможность детектирования как высоких, так и малых ускорений, включая статическое • Мультиосевые исполнения • Детектирование угловых ускорений • Существуют датчики сервотипа с высокой линейностью и точностью • Температурная стабильность • Уменьшенные дрейфы параметров • Улучшенные шумовые характеристики • Высокое разрешение • Интегрируемость схем обработки сигнала в корпусе ИС • Однокристальные системы • Способности самотестирования • Программируемость • Малое энергопотребление • Большое число поддерживаемых интерфейсов • Возможность обработки сигнала в схемах со смешиванием сигнала • Низкая цена • Ограничения частотной полосы • Ключевые проблемы, решаемые по мере развития технологии - уменьшение шумового порога, повышение разрешения и точности
Тепловые акселерометры Memsic • Высокая надежность • Детектирование статического ускорения • Малый шум • Высокое разрешение • Однокристальные системы • Расширение до схем со смешиванием сигнала • Способности самотестирования • Программируемость • Наиболее низкая цена • Ограничения частотной полосы • Температурная чувствительность, заметные ошибки и дрейфы параметров, преодолеваемые при производстве
Сравнительный анализ
Сравнительные технические данные автомобильных акселерометров различных типов, указанных в статье, приведены в таблицах 1-3.
В таблице 4 представлен сравнительный анализ технологий акселерометров, рассмотренных в рамках цикла.
В целом, характеристиками, корпусирова-нием, объемами тестирования и калибровки, клиентской эксплуатационной стоимостью
объясняются и различия в стоимости акселерометров.
Оптимальные со всех точек зрения характеристики для большинства автомобильных систем предлагают поверхностные емкостные акселерометры, но необходимо обратить внимание, что даже прецизионные устройства, хотя и обеспечивают высокую линейность, в итоге могут обеспечивать меньшую точность, чем прецизионные пьезоэлектрические датчики. Традиционные технологии пьезоэлектрических датчиков более дорогие, но и более точные, тогда как новые микро-механические технологии сфокусированы на более низкой стоимости за счет снижения характеристик.
Частотная полоса, ограниченная несколькими кГц, ограничивает и применение многих акселерометров для задач расширенного детектирования динамических ускорений высокого уровня, например контроля детонации двигателя.
Новые сенсорные структуры обладают значительно меньшими размерами, более низкой инерционной массой, что отражается на чувствительности и точности датчиков. Если малые отклонения структуры генерируют малые изменения выходного сигнала, способность детектировать таковые ограничена разрешающим пределом электроники схем обработки сигнала. Но это не существенно, скажем, для акселерометров воздушных подушек, где не требуется высокая точность, а важна надежность и низкая цена. В других системах, к примеру, противоугонных, напротив, важно отслеживать малые уровни сигналов, что предполагает повышенное внимание к схеме обработки сигнала и, соответственно, повышает стоимость интегрального датчика.
Микромеханические устройства производятся в корпусах ИС поверхностного монтажа, которые запаиваются на печатной плате вместе с остальной частью электроники, что является преимуществом, обеспечивая технологичность и меньший размер изделия в прецизионных инклинометрах. Но при детектировании ускорений на вибрационных частотах, особенно если частотный диапазон широк, необходимо учитывать влияние на точность резонансов платы и корпуса ИС, для снижения которого применяется адгезивный монтаж.
Некоторые цифры, характеризующие дальнейшие перспективы акселерометров
Согласно проводимым за рубежом многочисленным маркетинговым исследованиям, в 2008 году общий объем продаж акселерометров, характеризующийся ежегодным приростом в 6,1%, ориентировочно достигнет $1,3 млрд, при этом объемы потребления акселерометров потребительской электроникой составят только $31,3 млн. Разницу между приведенными цифрами практически
полностью составляют продажи акселерометров для автоэлектроники. В 2006 году только североамериканский рынок пьезорезистивных и емкостных датчиков для систем подушек безопасности достигнет порядка $121,2 млн (43,5 млн единиц), с ежегодным приростом в 5% начиная с 2001-го. Рынок MST, к которому относятся инклинометры, в 2000 году составлял $54 млрд (9 млн единиц). Сейчас он характеризуется ежегодным приростом в 13,1% и в 2005-м приблизился ориентировочно к$100 млн (20 млн единиц).
Для информации: спрос на датчики для систем навигации, включая гироскопы, в 2008 году приблизится примерно к $1,9 млрд.
Заключение
Непрерывно повышается как спрос на акселерометры, так и характеристики новых устройств — точность, надежность, компактность, экономичность, интеллектуальность акселерометров, при этом все более заметной становится тенденция снижения цены компонентов (с фокусом на снижение общей цены современной системы на их основе и количества внешних дискретных компонентов).
В настоящее время в развитии MEMS прослеживается тенденция размещения в одном интегральном корпусе и, по возможности, на одном кристалле микромеханических и микроэлектронных устройств, датчиков
температуры, схем обработки или даже устройств, выполняющих микрооптические функции. За пределами задач акселерометров эволюция MEMS также предполагает интеграцию исполнительных элементов, датчиков давления, магнитного поля и других устройств.
При правильном учете свойства и особенности акселерометра, характерные для данной технологии, могут значительно повысить технические параметры создаваемого автомобильного устройства, характеризующие его способность детектировать наклон, движение, положение, вибрацию и удар.
В связи с этим автор надеется, что анализ технологий акселерометров, выполненный в рамках цикла, сократит время, обычно затрачиваемое разработчиками и инженерами по эксплуатации на анализ пригодности той или иной технологии акселерометров, предназначенной для нового проекта. ■
Литература
104. Micro-miniature accelerometer. US Patent 4 736 629. Опубл. 12.04.1988. (Silicon Designs, Inc.).
105. Technology Report. Техническая информация Silicon Designs, Inc.
w ww .silicondesigns.c om
106. Integrated silicon automotive accelerometer and single-point impact sensor. US Patent 5 495 414. Опубл. 27.02.1996 (Ford Motor Company).
107. Capacitive acceleration sensor. US Patent 5 900 550. Опубл. 4.05.1999 (Ford Motor Company).
108. Digital capacitive accelerometer. US Patent 5 353 641. Опубл. 11.10.1994 (Ford Motor Company).
109. Piezo Film Sensors. Technical Manual. Measurement Specialties, Inc., Sensor Products Division. w ww .msiusa.c om
110. Method of etching a deep trench in a substrate and method of fabricating on-chip devices and micro-machined structures using the same. US Patent 6 712 983. Опубл. 30.03.2004 (Memsic, Inc.).
111. Thermal convection accelerometer with closed-loop heater control. US Patent 6 795 752. Опубл. 21.09.2004 (Memsic, Inc., Analog Devices, Inc.).
112. Accelerometer fundamentals. Application Note AN — 00MX-001.
ht tp:/ /ww w.memsic.c om/memsic/pdfs/ an-00mx-001.pdf
113. Левашов Ю. Акселерометры компании MEMSIC // Компоненты и технологии. 2005. № 6.
114. Micromachined accelerometer. US Patent 5 668 319. Опубл. 16.09.1997 (The Regents of the University of California).
115. Micromachined, multi-axis accelerometer with liquid proof mass. Byl C., Howard D. W., Collins S. D., Smith R. L. Dept of Electrical & Computer Engineering, University of California. w ww .ucop.edu/research/micro/98_99/ 98_145.pdf
